對如何選取盾構隧道壁后注漿壓力的探討

王永超, 陳小育

(1.解放軍理工大學國防工程學院， 江蘇南京 210007； 2. 中國人民解放軍91003部隊, 海南三亞 572021)

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對如何選取盾構隧道壁后注漿壓力的探討

王永超1, 陳小育2

(1.解放軍理工大學國防工程學院， 江蘇南京 210007； 2. 中國人民解放軍91003部隊, 海南三亞 572021)

在地鐵盾構隧道施工中, 盾構隧道壁后同步注漿是施工中一項必不可少的工作內容。不同的注漿壓力將導致不同的徑縮量，進而對地面沉降有較大的影響。文章通過建立簡化的壁后注漿力學模型，從理論上推導不同的注漿壓力所產生的徑縮量，進而指導plaxis參數選取，優化plaxis盾構隧道施工模型。

盾構施工;同步注漿;注漿壓力;徑縮量

1　盾構施工注漿的作用

隨著城市地下空間的開發與利用, 盾構施工技術以其對周圍環境影響小、成形質量高、安全可靠、施工進度快等優點而越來越多地應用于城市地鐵隧道以及市政隧道工程中。由于盾構機刀盤的開挖直徑大于管片外徑, 因此管片脫出盾尾后會形成盾尾間隙。盾尾間隙的大小是由盾構鋼殼的厚度和盾尾操作空間決定的, 一般在8～16 cm, 它使土體處于無支護狀態并發生位移, 產生地面沉降, 造成地面建、構筑物的沉降或隧道偏移[1]。

如圖1所示，在地鐵盾構隧道施工中, 盾構隧道壁后同步注漿是施工中一項必不可少的工作內容。盾構同步注漿就是在隧道內將具有適當的早期及最終強度的材料, 按規定的注漿壓力和注漿量在盾構推進的同時填入盾尾空隙內。其目的是: (1)盡早填充地層, 減少地基沉陷量, 保證環境安全; (2)確保管片襯砌的早期穩定性和間隙的密封性; (3)作為襯砌防水的第一道防線, 提供長期、均質、穩定的防水功能; (4)作為隧道襯砌結構加強層, 具有耐久性和一定強度[2]。對地層穩定性差、采用密閉型盾構方法施工的隧道而言, 圍巖變形的主要原因在于襯砌背后注漿的好壞[3]。

圖1　盾構隧道同步注漿示意

2　問題提出背景

在使用plaxis模擬盾構隧道施工的時候，有一個參數是必須確定的——徑縮量，這是一個跟盾尾間隙以及注漿壓力有關的量。

如果我們選擇徑縮量為0，則意味著我們采取的同步注漿完全充填盾尾間隙，當然這樣理論上對地層的擾動是最小的，但同時也意味著較大的注漿壓力，而較大的注漿壓力容易導致盾構管片接頭處的破壞。

如果施工中選擇徑縮量為實際盾尾間隙的值，則意味著完全不采取同步注漿技術，這樣對土層的擾動是極大的，容易導致地面過大的不均勻沉降，導致地面建筑及地下管線的開裂。

實際操作中徑縮量的值往往是根據經驗假定的，不具有一定的理論性。

文章將通過選取環形均勻分布注漿壓力模型，通過假定一個合理的注漿壓力，計算徑縮量，然后將徑縮量帶入plaxis模型中，模擬盾構隧道施工，輸出地面沉降，驗證是否符合要求。

3　注漿壓力的分布形式

首先確定注漿壓力的分布形式，目前認為注漿壓力主要有以下3種分布形式[4]：

(1) 三角形分布。國際隧道協會工作報告(2000年) 中推薦的在管片結構計算時考慮的注漿壓力分布模式為三角形分布，如圖2所示。

圖2　注漿壓力三角形分布

(2) 扇形分布。如管片環下部存在建筑空隙區域, 注漿漿液需先填滿建筑空隙, 然后再注入周圍土體, 此時的注漿壓力在建筑間隙范圍內均勻分布，如圖3所示。

圖3　注漿壓力扇形分布

(3) 整環分布。在硬質土和孔隙率較大、滲透性較好的砂性土中, 漿液泡可能會包裹整個剛脫離盾尾的管片周邊, 此時注漿壓力在整個管片環上的分布可假設為整環均勻分布和整環非均勻分布，如圖4、圖5所示。

圖4　注漿壓力整環均勻分布

4　同步注漿條件下圓形洞室徑縮量的彈性解

鄧宗偉[2]提出的力學模型采用了大厚壁圓筒的模型，該模型的缺點在于認為側壓力系數等于1，這與實際情況差別很大。

本文采用的基本假定為：

(1)注漿壓力能從徑向直接作用在圍巖上；

(2)管片的強度足夠大，能承受巨大的注漿壓力，即使管片注入口處的注漿壓力過大，管片也不會破壞，連接管片之間的螺栓也不會剪斷[5]；

(3)漿液100 %填充盾構壁后間隙；

對于洞室結構分析，由于洞室橫向尺寸往往比其縱向尺寸小得多，在所謂“標準段”的范圍內，沿縱向承受的荷載以及橫斷面的形狀和尺寸不變，一般可按平面應變問題進行計算[6]。

地下圓形襯砌結構，設洞周半徑為a，襯砌軸線半徑為R，襯砌截面厚度為h，地層和圓形襯砌介質的應力-應變關系為彈性，地層介質彈性模量為E，泊松比為μ，襯砌介質彈性模量為E1。設洞室為深埋洞室，故可以不考慮地表邊界影響，地層取為無限大彈性平面[7]。地層初始應力的垂直應力σv=p，水平應力為σH=λp，λ為側壓力系數。

結構位于地層之中，因原始地層中存在初始應力場，在力學原理上，地下洞室的開挖為在具有初應力的的地層介質中開孔。將地層的初始應力場稱為一次應力狀態，洞開挖后，毛洞周邊及附近地層中將產生應力重分布現象，通過同步注漿來實現對地層的同步約束，此時洞室周圍的應力狀態便是下文中所求的應力狀態。

應力函數為：

應力分量表達式為：

地下洞室的開挖與同步注漿是在存在初始應力場的地層中進行的，理論計算時可認為圍巖的應力狀態是圍巖初始應力場與由開挖洞室和同步注漿引起的附加應力場的疊加。由開挖和同步注漿引起的附加應力場稱為開挖注漿效應。沿毛洞周邊加上釋放荷載，即得到計算開挖注漿效應的計算簡圖。在概念上，釋放荷載是洞室中被挖去的巖體對原巖底層作用力的反向平衡力減去注漿壓力，因而它的量值可由圍巖初始應力場減去注漿壓力計算。

一般來說，與此時圍巖應力場相對應的位移場也是圍巖初始位移場與洞室開挖注漿引起的附加位移場的疊加。但圍巖的初始位移場在洞室開挖前早已形成，對工程并無實際影響，因而，在計算中需確定的僅是由洞室開挖注漿引起的附加位移場。

假定注漿壓力為P，將徑向釋放荷載記為Δσra，切向釋放荷載記為Δτrθa，則由釋放荷載的定義可寫出其計算式為：

式中：σv、σH為洞室中心初始應力場的應力分量。由邊界條件σr2|r=∞=0得2B-2C×cos2θ=0，可得B=0，C=0；由σθ2|r=∞=0得D=0。因為σr2|r=a=Δσra，τrθ2|r=a=τrθa，由此可得：

將上述常數代入，即得：

設洞室開挖注漿引起的徑向位移為μ2，切向位移為v2，則由幾何方程、彈性平面物理方程可得：

將上式對r積分一次得：

洞室周邊徑向位移為：

洞周徑向位移即為徑縮量的理論值。

5　存在的問題

(1)本文中，土的模型采用最簡單的彈性模型，而實際中土的模型更為復雜，可采用彈塑性模型、粘彈性模型等模型進行改進。

(2)計算中未考慮注漿壓力作用下盾構管片的形變。

(3)同步注漿的漿體模型選取過于簡單。真實的漿體不僅會滲入到土層中，而且會有水分的流失、固結作用的進行，實際的漿體與模型也會有很大出入。

[1]葉飛，朱合華，何川.盾構隧道壁后注漿擴散模式及對管片的壓力分析[J].巖土力學，2009，30(5):1307-1312.

[2]鄧宗偉,陳建平,冷伍明. 盾構隧道壁后注漿作用機理的計算研究[J].塑性工程學報,2005,12(6):114-117.

[3]謝自韜，江玉生，劉品.盾構隧道壁后注漿壓力對地表沉降及圍巖變形的數值模擬研究[J].隧道建設，2007,24(4)：12-15.

[4]魏綱,魏新江,洪杰. 盾構隧道壁后注漿機理及其對周邊環境的影響[J]. 防災減災工程學報,2010,30(S1)：299-304.

[5]韓月旺,曾彥,鐘小春. 盾構隧道壁后注漿充填模擬[J]. 北京工業大學學報, 2012,38(6):854-858.

[6]劉新宇.地下結構[M].南京：解放軍理工大學出版社，2007.

[7]韓月旺,梁精華,袁小會. 盾構隧道壁后注漿體變形模型及土體位移分析[J]. 巖石力學與工程學報, 2007, 26(S2): 3646-3651.

[8]萬戰勝，朱岱云，夏永旭.盾構隧道壁后注漿對地表沉降影響數值模擬研究[J].河北工業大學學報，2001,40(1):1007-2373

[9]袁小會，韓月旺，鐘小春.盾構隧道壁后注漿壓力分布模型[J].西南交通大學學報，2011,46(1):18-23.

[10]韓月旺，曾彥，鐘小春.盾構隧道壁后注漿填充模型[J].北京工業大學學報，2012,38(6):854-858.

王永超(1991～)，男，碩士研究生，研究方向為地下環境巖土工程。

U455.43

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[定稿日期]2016-03-10